輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋抗雪災(zāi)能力的探討
關(guān)鍵詞：:門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);積雪；超載；抗雪災(zāi)能力；
1概述
2009年11月份,我國(guó)許多地區(qū)均出現(xiàn)持續(xù)數(shù)日的降雪。降雪,實(shí)屬罕見(jiàn)(50年一遇),給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大損害。其中,大跨度輕鋼屋面結(jié)構(gòu)(主要為門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu))整體或部分倒塌的事故多有發(fā)生,引起了業(yè)內(nèi)人士尤其是從事輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程人員的普遍重視。
2造成事故的原因
2.1降雪持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),降雪量較大
此次降雪持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),降雪量較大，許多地區(qū)屋面積雪堆載超出了荷載規(guī)范中給出的基本值。某新建輕鋼廠房,設(shè)計(jì)基本雪壓為0.50kN/m2,屋面積雪深度達(dá)430mm,計(jì)算雪載達(dá)90kg/m2,檁條下翼緣已嚴(yán)重扭曲并發(fā)生較大水平彎曲變形,但下?lián)喜淮蟆＞o急清雪后,扭曲基本消除但是彎曲變形還在,由此可見(jiàn),檁條構(gòu)件已達(dá)到了承載力極限狀態(tài),鋼材屈服,發(fā)生了塑性變形,如繼續(xù)積雪或不予處理,很可能發(fā)生倒塌事故。
門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)屬于對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu),但屋面積雪堆載超出設(shè)計(jì)取值,這在實(shí)際工程中并不多見(jiàn)。以往在與門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)有關(guān)的規(guī)范規(guī)程、技術(shù)手冊(cè)中很難見(jiàn)到針對(duì)雪荷載的討論,實(shí)際設(shè)計(jì)工作中對(duì)于雪荷載并未給予足夠的重視。而對(duì)于屋面活荷載,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003、《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102-2002均不同程度地將取值由0.50kN/m2降低至0.30kN/m2,尤其以CECS102-2002的規(guī)定最為寬松,且設(shè)計(jì)中多遵照CECS102-2002的規(guī)定取值。規(guī)范規(guī)定,屋面均布活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮,取兩者中的較大值。由我國(guó)基本雪壓分布圖可知,雪壓高值區(qū)在我國(guó)分布很廣。但當(dāng)前,我國(guó)大部分氣象臺(tái)站收集的都是雪深數(shù)據(jù),而相應(yīng)的積雪密度數(shù)據(jù)又不齊全,當(dāng)缺乏平行觀測(cè)的積雪密,均以當(dāng)?shù)氐钠骄芏葋?lái)估算雪壓值。這使得在實(shí)際工程應(yīng)用中,即便按照荷載規(guī)范規(guī)定的基本雪壓取值,仍然不能足夠精確地反映結(jié)構(gòu)使用期間積雪荷載的實(shí)際數(shù)值,當(dāng)出現(xiàn)大幅降雪時(shí),門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的幾率就比較大。
2.2門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系上存在一定缺陷
門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系上存在一定缺陷，從而使得其抵抗雪災(zāi)的能力較其他形式鋼結(jié)構(gòu)屋面體系(如普通鋼結(jié)構(gòu)廠房屋架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu))較差。在門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)工程中,大多設(shè)置隅撐,并取剛架梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度為隅撐間距,即考慮檁條對(duì)剛架梁平面外穩(wěn)定所起的支撐作用。此時(shí),剛架梁上翼緣平面外穩(wěn)定由檁條保證,下翼緣平面外穩(wěn)定由隅撐保證,而檁條本身的穩(wěn)定又多利用與檁條上翼緣緊密連接的屋面板所提供的蒙皮效應(yīng)來(lái)保證。屋面板、檁條、剛架梁,構(gòu)件之間約束的傳遞環(huán)環(huán)相扣,且路線單一,缺一不可,結(jié)構(gòu)整體的安全性較差。
當(dāng)屋面積雪荷載達(dá)到設(shè)計(jì)取值時(shí),屋面板與檁條產(chǎn)生很大撓度,此時(shí)檁條鋼材可能已屈服甚至進(jìn)入應(yīng)變硬化階段(卸荷后檁條變形不能全部恢復(fù)),檁條及與之相連的隅撐對(duì)剛架梁的支撐作用將有可能大幅減弱,而此時(shí)檁條并未徹底破壞,屋面積雪的堆載仍通過(guò)檁條傳遞并作用在剛架梁上,最終整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)因剛架梁失穩(wěn)而倒塌。
對(duì)于門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)而言,活荷載(屋面活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載)無(wú)疑是整體結(jié)構(gòu)的控制荷載,只有在屋面材料自重很大時(shí),恒荷載及地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用才可能顯現(xiàn)出來(lái)。門(mén)式剛架多為不上人屋面,在建成使用期間,屋面活荷載作用的幾率及覆蓋范圍均不會(huì)很大,很少因此對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。雪荷載及風(fēng)荷載達(dá)到基本雪壓或基本風(fēng)壓作用的幾率也很小,但其荷載作用均是全屋面范圍的,且以所處位置不同而不均勻分布,故而門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的破壞,多發(fā)生在大風(fēng)或大雪天氣中。
但同樣是鋼結(jié)構(gòu)屋面體系,普通鋼結(jié)構(gòu)廠房屋架、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)卻較少發(fā)生類似事故。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,材料強(qiáng)度及荷載設(shè)計(jì)值的取用均考慮了相當(dāng)?shù)陌踩Ａ?即便實(shí)際的雪荷載或風(fēng)荷載已超出設(shè)計(jì)取值,發(fā)生破壞的應(yīng)該也只是一小部分工程。所以說(shuō),門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的事故是前述兩點(diǎn)原因共同作用的結(jié)果。門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)中,檁條兼具兩方面的作用,其既是屋面圍護(hù)體系的龍骨,又是主體結(jié)構(gòu)中必不可少的組成部分,這在其他許多形式的鋼結(jié)構(gòu)屋面體系中是不存在的。比如普通鋼結(jié)構(gòu)廠房的屋架,有完善充足的支撐系統(tǒng)保證了屋架整體的穩(wěn)定,作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的檁條及屋面板,在計(jì)算中基本不考慮其對(duì)整體結(jié)構(gòu)的作用。又比如網(wǎng)架結(jié)構(gòu),各層弦桿及腹桿組成的空間桁架體系,屬高次超靜定結(jié)構(gòu),檁條的設(shè)置僅為連接屋面板所需。
2.3鋼材質(zhì)量及施工質(zhì)量的影響
近年來(lái),門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速,因其設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便,周期極短,從事同類設(shè)計(jì)的人員較多,競(jìng)爭(zhēng)激烈,片面強(qiáng)調(diào)用鋼量最低,在設(shè)計(jì)荷載的取值上盡量取低,使得結(jié)構(gòu)的安全裕度一再降低。如鋼材質(zhì)量及施工質(zhì)量無(wú)法保證,遭遇風(fēng)雪而破壞的概率更大�，F(xiàn)在有的施工單位自己擁有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專項(xiàng)資質(zhì)，為了項(xiàng)目中標(biāo)，會(huì)提供免費(fèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣，為了利益最大化，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)追求最低用鋼量。盡管設(shè)計(jì)結(jié)果滿足規(guī)范要求，但不可避免地使安全度降低。另外，鋼結(jié)構(gòu)施工單位眾多，施工水平良莠不齊。施工質(zhì)量往往難以控制，使結(jié)構(gòu)的受力性能低于原來(lái)設(shè)計(jì)的初衷這就進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)安全度。
3、門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題
有鑒于此,筆者建議,在門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,如遇跨度較大的情況,可僅將檁條及屋面板作為單一的屋面圍護(hù)系統(tǒng),不考慮其對(duì)剛架橫梁的支撐作用。
(1)檁條端部與托板的連接孔可以做成長(zhǎng)圓孔,以便于連接。以往的工程中確有這么做的,但相關(guān)的手冊(cè)圖集中并未有做長(zhǎng)圓孔的。
(2)可以不再設(shè)置隅撐,計(jì)算主剛架時(shí),平面外穩(wěn)定的計(jì)算長(zhǎng)度取為屋面水平支撐的間距。
(3)如檁條開(kāi)長(zhǎng)圓孔,則屋面沿結(jié)構(gòu)縱向的水平剛度會(huì)因此而減小，故應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)屋面水平支撐。屋面水平支撐宜選用角鋼,盡量少用或不用圓鋼支撐。
(4)以往工程中多有考慮屋脊位置存在雙檁,故此處不再設(shè)置水平系桿。現(xiàn)既然取消檁條對(duì)剛架梁的支撐作用,則屋脊處可能要設(shè)置一道水平系桿(視屋面支撐的布置確定)。另外,對(duì)施工而言,因雙檁作用而取消屋脊水平系桿的,還會(huì)給剛架的安裝增加困難。
(5)多數(shù)情況下,屋面支撐的間距較隅撐間距為大,較之平面外計(jì)算長(zhǎng)度取為隅撐間距,剛架梁截面需加大方能滿足要求,整體結(jié)構(gòu)的用鋼量會(huì)略微增加。
�。�6）對(duì)于輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，女兒墻應(yīng)考慮得更為全面一些，如：放置溢流孔；將女兒墻下面做成百葉窗式的，如此可以排風(fēng)減少積重，把女兒墻做得很弱，當(dāng)遇到暴風(fēng)雪時(shí)，會(huì)被直接吹倒以達(dá)到卸荷的目的。把女兒墻盡量做得矮一些，如果可能的話，在迎風(fēng)區(qū)不做女兒墻，直接避免積雪。其次，在設(shè)計(jì)屋面時(shí)要盡可能考慮減少因高低跨造成的堆雪作用。設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍庀筇卣鳎ㄈ绯Ｓ鲲L(fēng)向等），盡量避免不利方向高低屋面的存在。另外，特別對(duì)于南方某些地區(qū)，屋面也應(yīng)針對(duì)雪荷載而盡量提高坡度，采用斜坡式或尖頂式。
4、結(jié)語(yǔ)
門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)屬于對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮雪荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的各種不利影響。
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